Назад

Интеллектуальная система управления процессом сушки древесины

 

В.Г. Савенко,  А.В. Савенко, Ю.П. Петрухин

Качество сушки древесины является одним из основных факторов, влияющим на конечное качество продукции из древесины, условия надежной и долговечной эксплуатации её. Стоимость сушки древесины (пиломатериалов) сегодня сопоставима со стоимостью самих высушиваемых материалов, поскольку процесс сушки древесины относится к одним из наиболее продолжительных и энергоёмких в деревообрабатывающей промышленности. Материальные потери от неудовлетворительного качества сушки также существенны. В связи с этим проблема повышения качества сушки древесины, сокращения сроков сушки и снижения энергетических затрат на сушку древесины является актуальной.

В настоящее время системы автоматического управления процессом сушки древесины призваны поддерживать заранее заданные параметры режимов сушки древесины. При этом, в процессе сушки древесины отсутствует обратная связь, которая могла бы вносить изменения в параметры режима сушки древесины с учетом текущего состояния высушиваемой древесины, например, по значениям послойной влажности, которая является основным фактором, влияющим на возникновение и величину внутренних напряжений в древесине, приводящий, в конечном итоге, к возникновению напряжений и вызывающих коробление и её разрушение в виде трещин.

         К показателям качества сушки относят также среднюю конечную влажность древесины, равномерность влажности по толщине высушиваемой древесины и объёму штабеля, остаточные внутренние напряжения. Признаком удовлетворительного качества сушки являются,  кроме этого, отсутствие видимых дефектов древесины, т.е. сохранение его формы и целостности и сохранение естественных физико-механических свойств, и в частности, прочности древесины.

         Из всех этих показателей от режима собственно сушки зависят только два: целостность древесины, обусловленная величиной полных внутренних напряжений в процессе сушки и степень сохранения механических свойств, обусловленная уровнем и длительностью высокотемпературного воздействия на древесину при сушке. Если обеспечить эти два показателя за счёт поддержания надлежащего режима сушки, то остальные показатели всегда можно довести до требуемого уровня путём проведения известных мероприятий. К этим мероприятиям относятся соответствующая кондиционирующая обработка для получения заданной величины и равномерности конечной влажности, термовлагообработка для снятия остаточных напряжений и правильное формирование штабеля для предупреждения коробления.

         Рекомендуя режим и технологию камерной сушки древесины той или иной характеристики при показателях его качества, следует, прежде всего, установить допустимый уровень температуры сушильного агента, обеспечивающий сохранение механических свойств древесины в заданной степени. Затем, с учётом этого температурного уровня должен быть подобран режим сушки, при котором достигается максимально возможная интенсивность процесса при сохранении его безопасности, т.е. обеспечение целостности древесины.

         Необходимость сохранения целостности высушиваемой древесины предъявляет к структуре режимов камерной сушки древесины определённые требования.

         Возникающие в процессе сушки влажностные напряжения пропорциональны перепаду гигроскопической влажности. Этот перепад в начале сушки, когда влажность древесины не обладает большой прочность, должен быть достаточно малым, что возможно только при поддержании достаточно высокой степени насыщённости сушильного агента. К концу сушки, когда влажность по сечению древесины начинает выравниваться, а полные внутренние напряжения изменяют за счёт остаточных деформаций свой знак, требуется наоборот поддерживать низкую степень насыщения сушильного агента, чтобы довести древесину до требуемой конечной влажности.

         Сушка древесины, таким образом, должна проводиться с повышающейся на протяжении процесса жёсткостью. Жёсткость, показателем которой может считаться психометрическая разность, повышается лишь путём снижения степени насыщенности сушильного агента при постоянной температуре, либо чаще путём одновременного снижения степени насыщенности сушильного агента и повышения температуры.

         Изменять в процессе сушки параметры сушильного агента  (т.е. координировать режим сушки) логически наиболее правильно было бы в зависимости от соотношения между полными внутренними напряжениями и пределом ее прочности.

         В настоящее время не существует доступных методов количественного контроля полных напряжений при сушке древесины. Однако, существует метод расчёта полных напряжений, основанный на приближённом анализе одноосного напряжённого состояния древесины в процессе сушки [ 1 ] .

         Высушиваемая древесина рассматривается как состоящая из трёх зон: двух поверхностных  с влажностью выше предела гигроскопичности  (гигроскопические зоны), и центральной.

         Метод расчёта полных напряжений позволяет получить значение напряжений в зависимости от значений влажности в различных слоях древесины и значений физико-механических характеристик древесины с учётом её температуры и влажности в конкретный период сушки.

         Реологические показатели и предел прочности древесины заметно зависят от её состояния. Численные значения этих показателей уменьшаются при повышении         как температуры, так и влажности. Это уменьшение весьма существенно. В диапазоне температур от 20 до 100 0С и влажности от

(4 – 5)% до предела гигроскопичности крайние значения показателей различаются в несколько раз. Таким образом, режимы сушки древесины, рекомендуемые в справочной литературе, не могут объективно  учитывать состояние высушиваемой древесины.

         Взяв за основу методику определения внутренних напряжений, возникающих в процессе сушки древесины, авторами предложен способ управления процессом сушки древесины, основанный  на послойном измерении текущей влажности и температуре высушиваемой древесины.

         Суть способа управления процессом сушки древесины заключается в следующем.

В контрольном образце 1 (рисунок 1), расположенном в штабеле, устанавливаются датчики 2 влагомера 3. и датчик температуры 4. Каждый из двух датчиков влагомера выполнен в виде стержня, на котором расположены несколько изолированных друг от друга и от стержня кольцевых контакта, причем соответствующие кольцевые контакты электродов подключены к измерительному блоку парами, соответствующими измеряемым слоям древесины. Аналогично устроен и датчик температуры. Такая конструкция датчиков влажности и температуры позволяет определять текущие значения влажности и температуры послойно. Конструктивно значения указанных параметров определяется через каждые 1,5 мм.

         По текущим значениям послойной влажности и температуры высушиваемой древесины по известным зависимостям [1 ] определяются внутренние напряжения, возникшие в результате разности послойной влажности.

         С учётом породы высушиваемой древесины, текущего значения влажности и температуры в конкретных пограничных слоях, микропроцессором 5 производится определений предела прочности на растяжение поперек волокон, который сравнивается с фактическими напряжениями, возникшими в процессе сушки. Сравнивая значения предела прочности и фактических напряжений, микропроцессор принимает решение и выдаёт команды на управление параметрами сушильного агента. С учётом анизатропности свойств древесины предусматривается применение коэффициента «безопасности режима», определяемого как отношение внутренних напряжений к пределу прочности. Рекомендуемое значение уровня коэффициента «безопасности режима» с учетом изменчивости показателя предела прочности рекомендуется принимать не более 0,85.

         Управление процессом сушки заключается в поддержании таких значений параметров сушильного агента, при которых максимально возможные напряжения, возникающие в процессе сушки, не превысят предела прочности древесины на растяжение поперек волокон при данных температурно-влажностных значениях древесины с учётом коэффициента «безопасности режима».

         Определение необходимых значений параметров сушильного агента производится микропроцессором на основании  сравнения и анализа значений влажности и температуры образца, определяемых датчиками.

         Таким образом, управление процессом сушки не носит временного характера, предусмотренного существующими режимами (например, 1, 2 и 3 ступени режима сушки), а корректируется постоянно, в зависимости от текущего температурно-влажностного состояния древесины и сушильного агента.

         При использовании в сушильной установке приводов на исполнительные механизмы воздушных заслонок и регулирования подачи теплоносителя, оператору для проведения сушки достаточно ввести в память системы управления следующие данные: породу древесины, максимально допустимую температуру при сушке и конечную влажность, а также коэффициент «безопасности режима». Установив датчики температуры и влажности можно приступать к сушке. Далее система управления сама проведет сушку по оптимальному режиму до конечной влажности.

Выводы:

         1 Использование предложенной системы управления процессом сушки древесины позволяет провести сушку при оптимальных значениях параметров сушильного агента, при этом максимальная температура сушильного агента определяется только допустимыми изменениями физико-механических свойств высушиваемой древесины в зависимости от категории качества сушки древесины.

         2 Продолжительность сушки древесины сокращается  в (1,5-2) раза, в зависимости от характеристики высушиваемой древесины.

         3 Удельное расходы энергии на сушку древесины сокращаются до 30%.

 

Литература

         1 Серговский П.С. О принципах построения рациональных режимов сушки пиломатериалов.- Сушка древесины. Труды Всесоюзной юбилейной научно-технической конференции – Архангельск, ЦНИИМОД, , 1968, С 36-55.



Hosted by uCoz